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在看《登月先鋒》前,這些事你知道了嗎?

htlee
・2018/10/16 ・3524字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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《登月先鋒》電影海報。 圖/IMDb

《登月先鋒》(First Man)是根據登上月球的第一人──尼爾 · 阿姆斯壯(Neil Armstrong)的生平拍攝的電影。這部電影選在今年 10 月上映,恰逢美國航太總署(NASA)正式運作 60 週年紀念,別具意義。

《登月先鋒》主要是描述 1961 年到 1969 年阿姆斯壯的生平事蹟,1960 年代正好是美國和蘇聯之間太空競賽的高峰,這幾年美國從一路落後;迎頭趕上;到最後贏得勝利,他的這段太空人生涯正是美國航太技術起飛的縮影。不過,美國在這段時間的許多努力和成就甚至傷亡,在電影中無法一一仔細說明,看電影前先認識《登月先鋒》中的一些時空背景,可以讓你對劇情更了解。

在看登月先鋒前,你腦中的裝備準備好了嗎?source: IMDb

慢人一步又出師不利,多舛的美國太空計畫

冷戰時期,超級強國美國和蘇聯進行了一場太空競賽,這場航太技術比拚 1955 年才正式開跑,蘇聯卻在 1957 年 10 月 4 日就率先成功發射史波尼克 1 號(Sputnik 1)人造衛星。史波尼克飛過美國上空時,造成極大的恐慌,美國人懷疑蘇聯正在進行偵查,更害怕史波尼克會丟下核彈。

美國人的恐懼還沒消退,蘇聯在史波尼克 1 號升空一個月後,又發射史波尼克 2 號(1957 年 11 月 3 日),這次的太空船裡還搭載了一隻小狗,讓蘇聯成了第一個把動物送上太空的國家。

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早期美國的太空計畫由軍方主導,由陸海空三軍各自開發自己的火箭。為了趕上蘇聯,搭載美國第一枚衛星的海軍先鋒火箭(Vanguard),在時間壓力下倉促發射──結果就是美國人在全國電視轉播中,看見先鋒火箭升空,接著不過上升 1.2 公尺就墜毀爆炸。太空競賽初期,美國遭受巨大挫敗。還好後來由美國陸軍主導的探險家 1 號(Explorer 1)計畫,在 1958 年 1 月 31 日發射成功,讓美國也進入太空時代,勉強追上蘇聯腳步。

探險家 1 號發射成功後,參與的三位主要成員把探險家 1 號的模型高舉起來。圖/NASA

1958 年 10 月 1 日,美國航太總署(NASA)正式運作。美國航太總署的前身是美國國家航空諮詢委員會(NACA),美國航太總署成立後,吸收整合了美國軍方太空計畫的資源,航太總署自此為美國太空計畫吹起了反攻號角!(同場加映:電影《十月的天空》)

反攻沒那麼簡單:逆襲失敗的水星計畫

水星計畫的主要目的是要比蘇聯人更早上太空,以及研究太空對人類的影響。為了這個目的,美國航太總署招募了美國第一批的 7 位太空人,他們被稱為水星 7 傑。

不過蘇聯還是搶先了一步。1961 年 4 月 12 日,蘇聯的尤里 · 加蓋林(Yuri Gagarin)首先搭乘東方 1 號升空,繞行地球一圈後返回地球,讓蘇聯成為第一個將太空人送上太空的國家。

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不到一個月後,美國也做出回應。1961 年 5 月 5 日,艾倫 · 雪帕德(Alan Shepard)搭乘自由 7 號太空船升空,當他抵達太空的高度後就返回地球,並沒有繞地球飛行。一直到 1962 年 2 月 20 日,駕駛友誼 7 號的約翰 · 葛倫(John Glenn)才繞地球航行了三圈。

約翰 · 葛倫和友誼 7 號。 圖/NASA

1961 年 5 月 25 日,美國總統甘迺迪(John Kennedy)在國會發表演說,宣示要在 1960 年代結束前,把太空人送到月球,並讓太空人安全返航,這訂定了美國人太空計畫的明確目標。

1963 年 5 月,最後一次水星載人計畫升空時,太空人在太空中待的時間超過一天。不過在此之前,蘇聯已經完成將近 4 天的太空之旅。雖然美國拼命追趕,不過蘇聯還是保持一步領先。(同場加映:電影《關鍵少數》)

阿姆斯壯初登場:再接再厲的雙子星計畫

前往月球比繞地球飛行困難許多,需要發展出新的技術。美國航太總署的登月計劃是讓登月小艇和指揮/服務艙一起抵達月球,不過只讓登月小艇登陸,指揮/服務艙繞月球運行。登月結束後,登月小艇從月球表面升空,抵達月球軌道與指揮/服務艙接合一起返回地球。要完成登月計畫,其中最關鍵的技術就是讓兩艘太空船在太空中對接,這也是雙子星計畫最重要的目的。

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為了讓美國太空人登陸月球,還需要更多太空人參與太空計畫。美國太空總署需要招募新的太空人。阿姆斯壯就是美國航太總署的第二批太空人,而與阿姆斯壯一起前往月球的伯茲 · 艾德林和麥可 · 柯林斯則是第三批太空人。

雙子星太空船比水星太空船大,可以搭載兩名太空人。1965 年 6 月升空的雙子星 4 號,進行美國太空人首次的太空漫步,太空人愛德華 · 懷特(Edward Higgins White)在太空艙外待了 22 分鐘。

尼爾 · 阿姆斯壯和大衛 · 史考特(David Randolph Scott)是雙子星 8 號上的兩名太空人,他們主要的任務就是要和另一艘無人太空船做史上第一次的對接。1966 年 3 月 16 日雙子星 8 號發射升空,一開始進行的很順利,雙子星 8 號與無人太空船成功對接。對接後不久,太空人感覺到太空船左右搖晃,研判可能是無人太空船造成的,所以決定讓雙子星 8 號脫離無人太空船。

史考特(左)與阿姆斯壯(右),他們前方的是雙子星太空船的模型,圖片來源NASA

雙子星 8 號脫離無人太空船後,反而以每秒一圈的高速旋轉,他們試著要讓太空船停止旋轉,但是太空船完全不受控制。如果太空船持續高速旋轉下去,兩名太空人會失去意識,永遠漂浮在太空中。阿姆斯壯研判可能是控制太空船軌道方向的系統出問題,於是果斷把這個系統關閉,開啟太空船上用來返回地球的小型火箭來控制雙子星 8 號。幸運的是,阿姆斯壯的判斷真的讓太空船停止旋轉了!為了避免夜長夢多,太空總署決定讓他們提早返航,最後雙子星 8 號安全成功地降落在西太平洋。

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阿姆斯壯在太空船高速旋轉,可能暈眩失去意識的情況下,還能沉著地做出正確判斷,找出問題並解除危機,這次臨危不亂的表現讓阿姆斯壯成為首次登月任務指揮官的最佳人選!

欲速則不達:失去三位太空人的阿波羅 1 號意外

雖然美國在雙子星計畫中超越蘇聯,但是因為快速發展而疏忽安全,讓美國人付出極慘痛的代價。

1967 年 1 月 27 日,阿波羅 1 號的三名太空人古斯 · 葛利森(Gus Grissom)、愛德華 · 懷特(Edward Higgins White)和羅傑 · 查菲(Roger Bruce Chaffee),參加阿波羅 1 號指揮艙的斷電測試。這時阿波羅 1 號已經架設在神農火箭 IB 的頂端,預計在 2 月 21 日發射到地球軌道,進行首次的阿波羅指揮/服務艙飛行測試。這次斷電測試被認為是安全且無危險的,因為神農火箭還沒裝填燃料,但是,這次測試卻造成美國太空史上的一次嚴重意外!

阿波羅 1 號太空人,由左至右為葛利森、懷特和查菲。 圖/NASA

測試幾個小時後,阿波羅 1 號的指揮艙突然發生火災,當時指揮艙內的空氣是純氧,火災迅速蔓延,大量的濃煙和高溫,讓三名太空人在還沒逃離太空艙就死亡。

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意外發生後的調查發現,阿波羅 1 號的設計有許多致命的錯誤,而且沒有火災應變和解救太空人的措施。其中最致命的是太空船內的易燃物質,與受損的電線發走火碰上艙內助燃的純氧,才使得火災一發不可收拾。另外,艙門開啟的程序太過繁複,無法在意外發生時快速脫離險境。阿波羅 1 號意外發生後,NASA 徹底更改了太空船的設計,避免災難再次發生。

有人說,還好這次的意外發生在正式發射之前,讓美國航空太空總署的工程師可以檢視阿波羅 1 號的所有缺陷。如果意外發生在太空中,工程師就無法檢視太空船的狀況,可能沒辦法找出所有問題,而那些沒有解決的問題很可能會再次發生,造成日後更多傷亡。矛盾的是,如果沒有阿波羅 1 號事件,可能就沒有日後成功的登月任務。

登月十年不晚:美國終於踏出人類的一大步

阿波羅 1 號的悲劇並沒有阻止美國人前往月球的決心。1968 年 12 月 21 日,阿波羅 8 號發射升空,進入月球軌道,雖然只有在軌道上繞月球運行,卻是人類首次飛抵月球。三位太空人在月球軌道上度過聖誕夜,在聖誕節當天返回地球,完成任務。

接下來的幾次任務,讓美國太空人對登陸月球做好準備。終於在 1969 年 7 月 20 日,阿波羅 11 號的太空人阿姆斯壯登陸月球,艾德林隨後也踏上月球表面。阿波羅 11 號的太空人在 7 月 24 日安全成功降落在北太平洋。

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阿姆斯壯的一小步,人類的一大步。 圖/NASA

甘迺迪總統在 1961 年的太空政策宣示,真的讓太空人在 1960 年代結束前成功的登上月球,阿波羅 11 號的成就也讓美國在太空探險保持數十年的領先地位!

科學框外的討論:
《登月先鋒》:貫徹導演個人美學,視覺令人驚艷|Punchline娛樂重擊

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htlee
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屋頂上的天文學家-李昫岱,中央大學天文所博士,曾經於中央研究院天文所和美國伊利諾大學厄巴納-香檳分校從事研究工作。著有《噢!原來如此 有趣的天文學》、《天文很有事》,翻譯多本國家地理書籍和特刊。 目前在國立中正大學教授「漫遊宇宙101個天體」和「星空探索」兩門通識課。天文跟其他語文一樣,有自己的文法和結構,唯一的不同是天文寫在天上!現在的工作是用科學、藝術和文化的角度,解讀、翻譯和傳授這本無字天書,期望透過淺顯易懂的方式介紹天文的美好!

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印度登陸月球熱門探測點——月球南極!那裡藏著什麼?為什麼各國爭先恐後?
PanSci_96
・2023/11/11 ・4407字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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你準備好要當月球移民了嗎?

人類再次展開登月競賽,準備重返月球。

今年八月二十三日,在全世界的矚目下,印度登月艇「月船三號 Chandrayaan-3」成功著陸於月球南極附近,展開為期半個月的科學探測任務,也成為人類史上第四個成功軟著陸於月球表面的國家!這更是 21 世紀以來除了中國嫦娥系列之外唯一的成功登月任務。

這次的登陸地點選在月球南極附近。除了月船三號,未來印度與日本合作的月船四號,以及中國的嫦娥七號、嫦娥八號任務,甚至是 NASA 阿提米斯計畫的首次載人登陸,地點也選在月球南極。

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問題來了,月球南極到底有什麼樣的魔力,能讓世界各國如此趨之若鶩?是有挖不完的石油?數不清的黃金?還是外星人留下的秘密裝備?

月球南極有什麼?

從人類的生存、家禽動物的飼養、到植物的灌溉,都脫離不了「水」這個在地球上再常見不過的物質。不僅如此,水電解之後得到的氧氣可以用於呼吸,氫氣則可以做為火箭引擎的燃料使用。想要讓人類走出地球,成為跨行星物種,確保充足的水源供給絕對是最核心的要務之一。

然而,雖然地球上的液態水很多,但正由於我們對水的需求如此龐大,如果要把所有需要的水都從地面用火箭發射進太空,需要的成本將非常驚人。

因此直接開採並使用本來就在太空中的水資源,才是合理且經濟的做法。沒錯,各國在將人類送上登月前,先將目光鎖定在了月球南極,關鍵就是要尋找「水」。

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如果月球上有水,不僅能幫助人類在月球建立起永久基地。月球,更將成為人類航向廣袤星海的第一片綠洲。

可是,缺乏大氣保護、日夜溫差超過兩百度的月球表面,真的會有水存在嗎?

由於缺乏大氣層,液態水在月球上要嘛會因為蒸發而散逸,要嘛會因為低溫結成水冰,很難以液態穩定存在。而即使是固態的水冰,也會在炙烈的陽光下昇華,因此月球表面的大部分地方是幾乎沒有水的。

但大家可以想像一下,月球的公轉軌道與地球繞太陽公轉的黃道面幾乎平行,夾角只有 5.145°。也就是說,月球不論在哪個位置,陽光總是直射在月球赤道附近。如果此時月球的南極點剛好有個向下凹陷,而且足夠大、足夠深的隕石坑,那麼在隕石坑之中的陰影區,就永遠不會照射到陽光。

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圖/wikimedia

這些地方被稱為「永久陰影區 Permanently Shadowed Areas」。由於不會受到陽光照射,因此永久陰影區附近的水冰,能夠持續存在數十億年的時間。

但是,雖然有「保存」水冰的條件,關鍵是永久陰影區中真的有水冰存在嗎?如果有,含量又有多少呢?這時,各國的探月任務就接手上場了。

月球南極真的有水嗎?

這些探月任務可不是一時興起,因為過去「月球上沒有水」的印象可是深植人心。直到 1990 年代開始,科學家才陸陸續續從越來越多月球探測器的資料中,發現水可能存在的蛛絲馬跡。

其中一次重大的進展發生在 2009 年。當時,NASA 使用擎天神五號火箭,同時發射了「月球勘測軌道飛行器 LRO」以及「月球坑觀測和感測衛星 LCROSS」兩個探測器。前者是一顆繞月衛星,後者則是一個撞擊用探測器。

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在發射升空之後,NASA 首先讓 LRO 與火箭分離,並進入月球軌道。接著,還連在火箭第二節上的 LCROSS,則跟著第二節火箭一起朝著月球南極的永久陰影區之一——卡比厄斯環形山飛去。在撞擊前數小時,LCROSS 與第二節分離,並讓第二節火箭以每秒 2.5 公里的高速,直直撞入永久陰影區,激起大量的月表物質。LCROSS 則直直飛入其中,檢測其中的物質成分。並在六分鐘後,同樣撞擊於月球表面。但就在這短短的六分鐘的犧牲打中,LCROSS 收集到的資料向科學家展示了,月球南極的永久陰影區中不僅確定有水冰的存在,更有汞、鎂、鈣、銀、鈉等其他諸多有用的物質資源。

2009 年 6 月 18 日至 2009 年 10 月 9 日 LCROSS 軌跡模擬動畫。圖/wikimedia

有了 LCROSS 的資料,再加上其他月球探測器,像是克萊門汀號、月船一號、LRO 等等,提供各種遙測資料,人類終於能掌握月球表面有水存在的證據。

時間回到現在,月球表面-尤其是月球極區的永久陰影區中,有水冰的存在已經是科學家的共識。但是這些水冰具體有多少,能否支撐人類在月球極區建立太空基地呢?這就只能實際派出登陸艇前往一探究竟了。

到月球南極尋找水冰吧!

可惜的是,8 月 23 日成功在月球上著陸的月船 3 號和攜帶的月球車 Pragyan,在 9 月 2 號和 4 號就入休眠,推測可能是因為無法承受極低溫環境,至今還未能重新喚醒。

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Pragyan 登陸月球。圖/wikimedia

在未來兩年的月球極區無人探測任務中,NASA 的 VIPER 任務可以說是最值得期待的另一項任務。VIPER 全名為月極揮發物調查漫遊車,是 NASA 有史以來第一台「無人月球車」,同時也是 NASA「商業月球載酬服務 CLPS」系列任務的一員。CLPS 和過去的太空任務不同,是由 NASA 提供科研載酬,由商業公司提供載酬的發射、巡航、著陸等服務。本次 VIPER 任務選定的商業夥伴是美國的 Astrobotic Technology 公司,VIPER 探測車將會乘坐該公司的 GRIFFIN 登陸器降落在月球南極,透過各種儀器勘查月球極區揮發份的組成與分布。

這台重 430 公斤,體積與高爾夫球車相當的 VIPER ,身上塞有四個主要儀器。

首先是中子光譜儀,它會藉由量測月球表面中子輻射的能量分布,了解地底下氫原子的分布狀況,從而推測水冰的含量。

第二,近紅外光揮發份光譜儀,它會以近紅外光燈照射月表,並從揮發份的光譜分析它的化學組成,同時也能判斷水是以結晶、非晶質的冰,或是氫氧根離子的形式存在。

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第三,質譜儀,能藉由電場分離不同荷質比的物質。除了能知道月表有哪些元素以外,還能分辨氘與氫、氧-18 與氧-16 等不同同位素的含量,對分析水的來源至關重要。

第四個儀器名為 TRIDENT(The Regolith and Ice Drill for Exploring New Terrain),縮寫很酷,名字很長,但簡單來說就是一個裝有溫度計的鑽頭。可以從月面下一公尺處鑽取一段十公分長的岩芯,為前面幾個儀器提供樣品。

除了這些科研儀器以外,VIPER 上還有一對立體視覺攝影機,能夠拍攝具有距離感的照片,為探測車的導航提供參考。

VIPER 原型機。圖/wikimedia

有了 VIPER,NASA 還必須想好要把珍貴的探測車派到何處進行調查,才能盡可能發揮他的潛能。除了理所當然地要放在可能有水的地方之外,地表的起伏與材質也有要求,比如太陡峭的山壁顯然就不是個好選擇。同時探測的地點,還必須可以和地球建立通訊。

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更重要的是,由於 VIPER 是太陽能驅動的探測車,探測地點不可以長時間缺乏日光,否則探測車會不僅會因為缺乏電力,還會因為長時間處於酷寒環境中而壞掉。進入休眠的月船三號,就是因為設計上就沒有為度過月球寒夜做準備,因此任務的極限時間一開始就限制在兩週左右。綜合以上條件,科學家選定了月球南極 Nobile 隕石坑西方的高地作為 VIPER 任務的地點。這裡雖然不是嚴格意義上的永久陰影區,但是滿足有日照,且時間足夠短到允許地底下有水冰的存在。

為了有充分的時間進行探索,VIPER 設計時就有考慮探測器的電力與保溫,可以透過三個休眠時期度過月球的夜晚,執行至少一百天的任務。在這一百天中,VIPER 將會調查隕石坑周圍,了解到底有多少水冰和二氧化碳、二氧化硫等揮發物,為將來的登月計畫鋪路!

要前往其他星球甚至離開太陽系,比起地球,擁有較低重力的月球,一直被認為是人類出發太空的前線基地。人類想要成為跨行星物種,水則是絕對不可或缺的關鍵資源。而經過數十年的研究,科學家終於在月球發現可能蘊藏大量水冰資源的地方。我們離移民月球或其他行星,又更靠近了一步。

就讓我們一起期待這些探測器們,幫助我們揭開月球南極的神秘面紗吧。

跟大家說個小趣聞,月船三號著陸之後,印度為了慶祝任務成功而將月船三號的登陸點命名為「濕婆神之力 Shiv Shakti」。那如果今天是你的探測器成功登月了,你會想幫登陸地點取什麼名字呢?留言與大家分享吧!

最後也想問問大家,如果人類真的確保水源,並在月球南極建立起了月球永久基地,你會想移民過去嗎?

  1. 不只想,我還想接著去火星跟太陽系外呢
  2. 去旅遊的話剛剛好,我想去找露西和大衛約會的地方聖地巡禮
  3. 先等等,說不定月球背面,還有外星人在等著我們呢

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參考資料

PanSci_96
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陰謀論大徵集!你聽過哪些陰謀論?|【科科齊打交】
stage_96
・2021/05/03 ・605字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

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S編按:【科科齊打交】是我們希望與大家一起進行的對話形式,期待在討論的過程中,我們能離知識更近一些。

在製作《Pan-pan-Panspiracy 一切都是泛科學的陰謀》專題時,我們蒐集到了不少陰謀論,But!這還不夠!我們想要更多!親愛的科夥伴們,快來貢獻你們聽過的陰謀論吧!

所以說,什麼是陰謀論?

所謂陰謀論,顧名思義,背後得有「陰謀」。

在面對一些重大事件或現象時,有些人會用「邪惡力量」、「邪惡集團」去解釋,假定一切背後存在秘密的利益糾葛或政治動機。

這些說法存在一大特點,那就是「低證偽性」,它們聽起來好像有那麼一回事、很容易讓人相信,卻又缺乏實際證據,可以確認究竟是真是假,也因此每次試圖闢謠時,都會落入證據不足,誰也沒辦法說服誰的窘境。

獻上你的陰謀論吧!換你說說看!

聽起來是不是有點熟悉呢?以下這些陰謀論,你或許也有聽過:登月是假的,人類從來沒有上過月球;51 區裡面藏有外星人,是美國政府進行的秘密實驗;從外星來的蜥蜴人偷偷控制著世界……

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你還能說出哪些陰謀論?有沒有什麼秘辛,是我們沒聽過的呢?

如果你有超吸引人的陰謀論故事,或是期待我們解密哪個經典陰謀論,都趕快留言告訴我們吧!

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stage_96
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此為「科科齊打交」系列討論專用帳號!希望能藉由大家的討論,一起打造屬於我們的魔幻舞台! PanSci編輯部將會盡力蒐集資料,提供可以協助討論的科學內容。 想邀請科夥伴們在閱讀完相關內容後,藉由留言的方式,與我們分享你的想法! 「霹靂卡霹靂拉拉波波麗娜貝貝魯多。」

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我們與科技的距離不遙遠,再生紙是科技也是一門藝術——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/31 ・2775字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

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1969年7月20日,阿波羅 11 號登月小艇離開地球表面。指揮官尼爾•阿姆斯壯 (Neil Armstrong) 是第一個踏上月球表面的人,因為這句話聞名於世:「我個人的一小步,卻是人類的一大步。」

阿波羅 11 號登月小艇。圖/天才達文西的科學教室

科技的真諦

手中握著行動電話,你掌握的科技,比 1969 年美國太空總署提供給第一位登陸
月球、從月球返回地球,並且在月球漫步的阿姆斯壯還要多。以現在的眼光來看, 1969 年的太空科技很老舊,但是以當年水準,這樣的科技卻讓人類迎接探索外太空的挑戰。

運用科學來設計有用的東西並解決問題, 就是科技。科技可以是「解決問題」與「如何解決」的合體。想想手中的行動電話:世界上從來不曾有過這樣的發明,直到 1973 年。

第一個踏上月球表面的人尼爾•阿姆斯壯。圖/Wikipedia

如何應用科學原理製造產品,同樣也是問題。電信裝置製造商摩托羅拉公司,利用實室把實用的原理化為行動,設計出發展行動電話的過程以及終端產品。這些都是科技。

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關於科技,還有一個關鍵點:科技不限於高科技產品。有些科技與新型電腦相較, 看起來並不尖端,卻也是科技,「可以喝的書」(Drinkable Book) 就是經典範例。在開發中國家,這項產品提供人們安全飲用水的資訊。該書的紙張就是濾紙,可以直接過濾水源,據稱能夠減少水源中百分之九十九以上的細菌。這項科技產品用不到電力,也用不到電腦。

所以什麼才可以叫做「科技」?

如何定義科技呢?以下是科技的幾個特徵:

  • 利用科學的過程、終端產品,或是過程與終端產品。
  • 解決問題。
  • 有用途的成果,例如尖端科技改善人類與其他生物的生活品質。
  • 將理論知識付諸實際用途。有了科技,知識不僅是理論,還能化為行動。

開創嶄新科學方法或材料的,就是高科技,通常牽涉到電腦科技或電子科技。通訊專家馬丁•庫柏 (Martin Cooper) 發明行動電話,就是開創高科技。這項科技解決了問題,以創新及實用的方式,運用已知的科學與電子學知識,讓人類享有更安全、更便利的生活。

文藝復興還沒有過時

在達文西的年代,紙張與造紙等過程都可稱為科技。時至今日,從回收資源中得到紙張,也是科技。根據科技的定義,再生紙的生產符合科技條件:

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  • 將使用過且可回收的舊紙製成新紙的過程,需要運用科學。
  • 再生紙解決了幾個體積問題。你曉得嗎?美國一天所丟棄的紙張重量,居然比 250 萬個相撲選手體重加起來都重。這樣的紙量,相當於大約 81.5 萬棵松樹的紙漿量。
  • 再生紙本身就是全新有用的產品。因為紙張資源回收,人們不必再砍伐森林來取得紙漿。再生紙是一種解決方案,對家庭、學校、圖書館與企業都有幫助。
  • 回收紙張的過程,必須實際運用已知的科學,這種運用方式讓大家受益;真是實用。

達文西總是竭盡所能,在紙張盡量多寫、多畫。由達文西的習慣,可以推測他一生當中,紙張一直都是重要且珍貴的科技。從他的筆記本挑幾頁,發現材質是亞麻,且可以追溯到 1508 至 1512 年。

達文西的筆記本為亞麻材質。圖/天才達文西的科學教室

松樹林提供野生動物棲所、保持大地水分,並且讓土壤健康。同樣的場景,少了松樹,試問可堪想像嗎?要有紙可用卻不伐木,紙類回收是選項之一。

因為需提供造紙紙漿,許多提供野生動物棲息的松林遭到砍伐。圖/天才達文西的科學教室

造紙的原料有那些?

1494 年左右,另一位義大利人法蘭西斯科•馬力亞·葛拉帕多 (Francesco Mana Grapaldo) 誇耀義大利紙張的高品質。他這樣描述義大利的造紙科技:「現在我們用破舊的亞麻布或麻布來造紙。」文藝復興時期的義大利造紙工匠發現:質地強韌的麻類植物與亞麻,可以製造強韌的紙張——這樣的紙張流傳數百年,因此達文西的筆記能夠傳世不朽。

時至今日,500 多年過去了,紙張的材質仍然包括麻類植物與亞麻,也包括棉花、黃麻、竹子,當然還有木漿。除了上述材質,也可以採用海藻、香蕉樹漿、花朵與雜草。這些材質有什麼共通點呢?它們都是植物。植物幾乎都可以用來造紙,這是因為纖維質的關係。你的骨骼支撐著身體,纖維質也支撐著植物。

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上圖是顯微鏡底下的洋蔥細胞,也可以看出纖維質為什麼讓結構強韌又有美感。
圖/天才達文西的科學教室

想像一下,纖維質到底是什麼模樣?想像一把長長的、尚未烹煮的義大利麵。同樣的,纖維質也是由葡萄糖(單醣)鏈形成的長條分子構成。從植物抽取出來的纖維質,就像長、韌、黏的白色絲線——最強韌的紙張就是這樣做成的。

上圖是纖維質分子模型,從模型結構可知,為什麼植物與紙張都算強韌。圖/天才達文西的科學教室

造紙也是一門藝術

造紙的時候,必須將纖維搗爛,讓纖維變成紙漿。不過,纖維的分子依舊緊密結合!這是什麼道理呢?因為纖維質由葡萄糖組成。

葡萄糖是食用糖的常見成分,也是大部分植物性食品的成分。根據科學家的歸類,葡萄糖屬於碳水化合物。如同碳水化合物的字面意思,這種化合物由碳、氫與氧組成。你掌握這個資訊,審視纖維質的角度就如同化學家與生物學家囉!

纖維質要怎麼變成紙張呢?這時就需要科學家加入了!事實上,你在造紙的過程裡,也身兼科學家、藝術家與工程師的角色。現在就開始造紙,以回應當今的問題——需要回收以及重新利用紙張的問題。手工造紙完成後,等於同時實踐了科學藝術!

手工造紙的紙漿取自可回收紙張,在模板上攤開就可以變成一張新紙。圖/天才達文西的科學教室

紙張纖維質的長度與強度,決定紙張品質。處理不同類型紙張,可以感受不同的強韌程度。品質愈好的紙張,纖維質的長度愈長。紙張回收愈多次,因為製成紙漿的次數愈多,強韌度也愈差。一張紙大約可以循環使用七次。

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各式不同類型的紙張。圖/天才達文西的科學教室
——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化